فولادهاي ساده کربني

فولادهاي ساده کربني
فولادهاي ساده کربني مهمترين گروه آلياژهاي مهندسي هستند. اين فولادها به علت هزينه نسبتا کم توليد و داشتن گستره وسيعي از خواص در بين مواد مهندسي در درجه اول اهميت قرار دارند.   استیل 304 کاربرد فولادهاي ساده کربني نامحدود بوده و مي تواند شامل ورق، نوار، ميله، سيم، محصولات لوله اي، شکل هاي ساختماني، آهنگري شده، ريخته گري و ... باشد.

طبقه بندي فولادهاي ساده کربني
 فولادهاي ساده کربني بسته به نوع و کاربردشان در چند سيستم مختلف دسته بندي مي شوند و دسته بندي منحصر به فردي که در مورد تمامي فولادهاي ساده کربني به کار رود، وجود ندارد. دو سيستم مختلفي که در اين زمينه بيشترين کاربرد را دارند عبارتند از: ASTM و AISI-SAE

 

 سيستم دسته بندي AISI-SAE براي فولادهاي ساده کربني
 اين سيستم در مورد ميلگردهاي نورد سرد و نورد گرم شده، سيم ها، ميله ها و لوله هاي بدون درز و محصولات نيمه تمام براي آهنگري به کار برده مي شود. از آنجا که در فولادهاي ساده کربني، درصد کربن نقش اصلي و تعيين کننده ميزان استحکام آنها مي باشد، در اين سيستم از درصد کربن براي شناسايي فولادهاي مختلف استفاده مي شود.

براي نامگذاري از چهار عدد استفاده شده که دو عدد اول 10 مشخص کننده فولاد ساده کربني است. دو رقم بعدي مشخص کننده صدم درصد کربن است.

به عنوان مثال؛ عدد 1020 مشخص کننده فولاد ساده کربني با 0.2% اسمي کربن است.

 

اثر عناصر آلياژي بر فولادهاي ساده کربني
فولادهاي ساده کربني ، علاوه بر کربن حاوي عناصر زير نيز مي باشند:

منگنز تا 1%

گوگرد تا 0.05%

فسفر تا 0.04%

سيليسيم تا 0.3%

 

منگنز
محدوده استفاده از منگنز در فولادهاي ساده کربني مي تواند از حداکثر 0.35% در فولاد 1005 تا حداکثر 1% در فولادهاي 1085 AISI متغير باشد. منگنز با گوگرد موجود در فولاد ترکيب شده و سولفيد منگنز را ايجاد مي کند. منگنز با ريزکردن پرليت و ايجاد محلول جامد با فريت موجب افزايش استحکام تسليم فولادهاي ساده کربني مي شود.

 

گوگرد
 گوگرد مي تواند حداکثر تا 0.05% در فولاد ساده کربني وجود داشته باشد. معمولا با منگنز ترکيب شده و تشکيل آخال MnS مي دهد. اگر گوگرد با آهن ترکيب شود، تشکيل FeS داده که معمولا در مرزدانه ها رسوب مي کند. از آنجايي که FeS ترکيبي سخت بوده و داراي نقطه ذوب پاييني مي باشد، لذا ممکن است در حين کارسرد و يا کارگرم فولاد ايجاد ترک کند. به همين دليل و براي جلوگيري از تشکيل اين ترکيب نامطلوب مي بايست نسبت   فولاد نقره ای منگنز به گوگرد فولادها حدود 5 به 1 باشد.

فسفر
از آنجايي که فسفر ترکيب خيلي تردي با آهن تشکيل مي دهد(Fe3P)، لذا ميزان فسفر فولادهاي کربني در حد 0.04% محدود مي باشد.

 

سيليسيم
سيليسيم به عنوان اکسيژن زدا، حين فولادسازي به مذاب اضافه شده و تشکيل آخال هاي SiO2 مي دهد. ميزان سيليسيم فولاد ساده کربني مي تواند از 0.1 تا 0.3% متغير باشد.

 

 در مقايسه با فولادهاي کم کربن عمليات حرارتي ناپذير که کربني بين 0.06 تا 0.1 درصد دارند، فولادهاي دسته اول داراي سختي و استحکام بيشتري بوده ولي شکل پذيري سرد کمتري دارند. استحکام اين دسته فولادها را مي توان با عمليات حرارتي بالا برد اما اين روش اقتصادي نمي باشد. جهت افزايش سختي اين فولادها، آنها را کربوره کرده يا به طور سطحي سخت مي کنند. براي کربوره کردن معمولا فولادهاي AISI 1016,1018,1019 انتخاب شده و براي مقاطع بزرگتر، فولادهاي AISI1015,1020,1022 به کار مي رود.

 دسته دوم، فولادهاي کربن متوسط، کربن بيشتري داشته و معمولا با کوئنچ و تمپر (آب دهي و برگشت)، استحکام مي يابند. اگر انتخاب محلول و دماي کوئنچ (آبدهي) مناسب باشد، مي توان محدوده وسيعي از خواص مکانيکي را بدست آورد. در بين اين سه گروه از فولادهاي ساده کربني سختي پذير، دسته دوم بيشترين و وسيع ترين کاربرد را داشته و بيشتر قطعات خودرو از اين فولادها ساخته مي شوند.

 دسته سوم فولادهاي ساده کربني که کربني بالاتر از 0.55% دارند، نسبت به فولادهاي کربن متوسط کاربرد کمتري دارند زيرا هزينه توليد و ساخت آنها گران تر بوده و قابليت جوشکاري و شکل پذيري کمتري دارند. و چون کربن بيشتري دارند در اثر فرايند آبدهي، حداکثر سختي را به دست مي آورند.

 

فولادهاي آلياژي
اگرچه توليد فولادهاي ساده کربني ارزان مي باشد اما در کاربردهاي مختلف مهندسي، اين فولادها هميشه جوابگو نيستند. فولادهاي آلياژي اگرچه از لحاظ قيمت گران تر از فولادهاي ساده کربني هستند اما در عمل استفاده از آنها در صنعت اقتصادي تر مي باشد. عناصر آلياژي که در توليد فولادهاي آلياژي استفاده مي شود عبارتند از: نيکل، کرم، موليبدن، منگنز، سيليسيم و واناديم. در بعضي موارد عناصري ديگري مثل کبالت، مس و سرب نيز اضافه مي شود.

عناصر آلياژي جهت حصول خوا ص متالورژيکي مطلوب به فولادها اضافه مي شود که بعضي از مهم ترين آنها عبارتند از:

1- بهبود خواص مکانيکي در دماهاي مختلف

2- افزايش دماي باز پخت با حفظ استحکام و بهبود شکل پذيري

3- بهبود مقاومت به خوردگي در دماهاي بالا

و ساير موارد.

 

طبقه بندي فولادهاي آلياژي
 در تعريف کلي، فولادهاي حاوي تا 50% عناصر آلياژي را فولاد آلياژي مي گويند. اما از از نقطه نظر فني، فولاد آلياژي به فولادهاي ماشين سازي و ساختماني عمليات حرارتي پذير که حاوي 1 تا 4 درصد عناصر آلياژي هستند، اطلاق مي شود.

 اين فولادها در ايالات متحده امريکا عموما با سيستم نامگذاري AISI-SAE مشخص مي شوند. در اين سيستم براي نامگذاري هر فولاد آلياژي از يک عدد چهار رقمي استفاده شده که دو رقم اول مشخص کننده عنصر آلياژي اصلي يا گروه عناصر آلياژي و دو رقم آخر مشخص کننده تقريبي درصد اسمي کربن در آلياژ است.

 

کاربرد انواع مختلف فولاد
از فولادي که تا ??? درصد کربن دارد، براي ساختن سيم، لوله و ورق فولاد استفاده مي‌شود. فولاد متوسط ??? تا ??? درصد کربن دارد و آن را براي ساختن ريل، ديگ بخار و قطعات ساختماني بکار مي‌برند. فولادي که ??? تا ??? درصد کربن دارد، سخت است و از آن براي ساختن ابزارآلات، فنر و کارد و چنگال استفاده مي‌شود.

 

ناخالصي‌هاي آهن و توليد فولاد
آهني که از کوره بلند خارج مي‌شود، چدن ناميده مي‌شود که داراي مقاديري کربن، گوگرد، فسفر، سيليسيم، منگنز و ناخالصي‌هاي ديگر است. در توليد فولاد دو هدف دنبال مي‌شود:

 سوزاندن ناخالصي‌هاي چدن

افزودن مقادير معين از مواد آلياژ دهنده به آهن

منگنز، فسفر و سيليسيم در چدن مذاب توسط هوا يا اکسيژن به اکسيد تبديل مي‌شوند و با کمک ذوب مناسبي ترکيب شده، به صورت سرباره خارج مي‌شوند. گوگرد به صورت سولفيد وارد سرباره مي‌شود و کربن هم مي‌سوزد و مونوکسيد کربن (CO) يا دي‌اکسيد کربن (CO?) در مي‌آيد. چنانچه ناخالصي اصلي منگنز باشد، يک کمک ذوب اسيدي که معمولاً دي‌اکسيد سيلسيم (SiO?) است، بکار مي‌برند:

(MnO + SiO? ——-> MnSiO?(l

و چنانچه ناخالصي اصلي سيلسيم يا فسفر باشد (و معمولاً چنين است)، يک کمک ذوب بازي که معمولاً اکسيد منيزيم (MgO) يا اکسيد کلسيم (CaO) است، اضافه مي‌کنند:

(MgO + SiO? ——-> MgSiO?(l

(?MgO + P?O?? ——-> ?Mg?(PO?)?(l

 

کوره توليد فولاد و جدا کردن ناخالصي‌ها
معمولاً جداره داخلي کوره‌اي را که براي توليد فولاد بکار مي‌رود، توسط آجرهايي که از ماده کمک ذوب ساخته شده‌اند، مي‌پوشانند. اين پوششي مقداري از اکسيدهايي را که بايد خارج شوند، به خود جذب مي‌کند. براي جدا کردن ناخالصي‌ها، معمولاً از روش کوره باز استفاده مي‌کنند. اين کوره يک ظرف بشقاب مانند دارد که در آن ??? تا ??? تن آهن مذاب جاي مي‌گيرد. بالاي اين ظرف، يک سقف مقعر قرار دارد که گرما را روي سطح فلز مذاب منعکس مي‌کند. جريان شديدي از اکسيژن را از روي فلز مذاب عبور مي‌دهند تا ناخالصي‌هاي موجود در آن بسوزند. در اين روش ناخالصيها در اثر انتقال گرما در مايع و عمل پخش به سطح مايع مي‌آيند و عمل تصفيه چند ساعت طول مي‌کشد، البته مقداري از آهن، اکسيد مي‌شود که آن را جمع‌آوري کرده، به کوره بلند باز مي‌گردانند.

 

روش ديگر جدا کردن ناخالصي‌ها از آهن
در روش ديگري که از همين اصول شيميايي براي جدا کردن ناخالصي‌ها از آهن استفاده مي‌شود، آهن مذاب را همراه آهن قراضه و کمک ذوب در کوره‌اي بشکه مانند که گنجايش ??? تن بار را دارد، مي‌ريزند. جريان شديدي از اکسيژن خالص را با سرعت مافوق صوت بر سطح فلز مذاب هدايت مي‌کنند و با کج کردن و چرخاندن بشکه، همواره سطح تازه‌اي از فلز مذاب را در معرض اکسيژن قرار مي‌دهند. اکسايش ناخالصي‌ها بسيار سريع صورت مي‌گيرد و وقتي محصولات گازي مانند CO? رها مي‌شوند، توده مذاب را به هم مي‌زنند، بطوري که آهن ته ظرف، رو مي‌آيد. دماي توده مذاب، بي آنکه از گرماي خارجي استفاده شود، تقريباً به دماي جوش آهن مي‌رسد و در چنين دمايي، واکنشها فوق‌العاده سريع بوده، تمامي‌ اين فرايند، در مدت يک ساعت يا کمتر کامل مي‌شود و معمولاً محصولي يکنواخت و داراي کيفيت خوب بدست مي‌آيد.